Genetic and molecular analysis of trichome patterning in natural accessions of Arabidopsis thaliana

An pflanzlichen Epidermen entwickeln sich Zellen häufig zu Trichomen (Blatthaare), ihnen werden unterschiedliche Schutzfunktionen vor biotischen und abiotischen Einflüssen zugeschrieben. A. thaliana Trichome sind ein intensiv beforschtes Modellsystem der Zellspezifikation und der Musterbildung. Anwesenheit eines spezifischen WD40/bHLH/R2R3MYB Aktivator Komplexes führt zur Trichomentwicklung, Mitglieder der single-repeat R3 MYB Proteinfamilie dagegen inhibieren die Trichomentwicklung benachbarter Zellen und wirken nicht-zellautonom. Die hier vorliegende Arbeit nutzte nun die vorhandene natürliche Variation der Trichomdichte in A. thaliana Populationen, um weitere Informationen zum molekularen Mechanismus der Trichomentwicklung zu bekommen. Eine F2 Kartierungs-Population, basierend auf zwei A. thaliana Ökotypen mit extrem unterschiedlicher Trichomdichte, wurde einer „quantitative trait locus“ (QTL) Analyse unterzogen. Unter den vier detektierten QTL Regionen befindet sich eine, die die Trichomdichte sehr stark beeinflusst und die im weiteren auf einen 8.4 cM Bereich eingeengt werden konnte. Anschließende funktionelle und populationsgenetische Experimente mit mehreren Kandidatengenen wiesen nach, dass sich das kausale „quantitative trait“ Nukleotid (QTN) in der kodierenden Region des single-repeat R3 MYB Gens ENHANCER OF TRIPTYCHON AND CAPRICE2 (ETC2) befindet. Dieses QTN führt zu einem Aminosäureaustausch eines konservierten Lysins zu Glutamat und stellt damit den ersten Hinweis auf eine mögliche Rolle des Prozesses der Ubiquitinierung in der Trichommusterbildung dar. Um ein tieferes Verständnis für den Mechanismus der differentiellen Trichominitiation zu erhalten, wurden Analysen auf zellulärer Ebene durchgeführt, die zeigten, dass die Modulation mit der Anzahl dazwischen liegender Mesophyllzellen gekoppelt ist. Dies ist ein Phänotyp, der eine Mutation in caprice (cpc), einem single-repeat R3 MYB Gen, widerspiegelt. Weiters beschreibt diese Arbeit ein neues Pilotprojekt, das einen Zusammenhang zwischen Trichomdichte, Anthocyangehalt und UV-B Toleranz in natürlichen A. thaliana Populationen untersucht, da ein WD40/bHLH/R2R3MYB Transkriptionskomplex auch Enzyme der Anthocyanbiosynthese reguliert.Trichomes (leaf hairs), epidermal cells protruding from aerial surfaces of plants, are thought to influence many aspects of plant physiology and ecology and thus may be of selective importance. The A. thaliana trichome serves as an intensely studied model system for cell specification. The current mechanistic concept explains de novo trichome patterning by local activation mediated by a specific WD40/bHLH/R2R3MYB activator complex which is counteracted by single-repeat R3 MYB protein non-cell autonomous acting. Existing natural variation for trichome density in A. thaliana provides the opportunity to complement well-established information about the genetic pathway of trichome initiation with knowledge about the modulation of trichome density in natural accessions. In this spirit, a quantitative trait locus (QTL) analysis of an F2 mapping population derived from a low and a high trichome density accession was carried out and detected four and seven QTL affecting aspects of trichome patterning and leaf morphology, respectively. Among the former a major QTL for trichome density was fine mapped to an 8.4 cM interval on chromosome two. Further population genetic and functional tests lead to the isolation of a quantitative trait nucleotide (QTN) located in ENHANCER OF TRIPTYCHON AND CAPRICE2 (ETC2), a member of the single-repeat R3 MYB gene family of trichome repressors. The QTN causes an exchange of a conserved lysine to glutamate in low trichome density accessions and therefore presents the first indication that ubiquitination may play a role in modulating trichome density. Furthermore, to better understand the mechanism of differential initiation of leaf trichomes on a mechanistic level, cellular analysis of fully grown leaves showed that a main difference between the low and the high trichome density accession is expressed by the number of cells formed between trichomes and that this phenocopies mutants in caprice (cpc), a single-repeat R3 MYB gene. Given that a WD40/bHLH/R2R3MYB transcription activator complex is also being involved in transcriptional regulation of the anthocyanin biosynthesis pathway, the second part of this work describes a pilot study investigating possible relationships between trichome density, anthocyanin content and UV-B tolerance in A. thaliana accessions.eingereicht von Julia HilscherAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in dt. SpracheWien, Univ. für Bodenkultur, Diss., 2011OeBB(VLID)193068